keras中文文档

2018-07-25 11:31:34 浏览数 (1)

Keras:基于Theano和TensorFlow的深度学习库

详细的中文文档，目录如下：

以下内容摘自keras中文文档

这就是Keras

Keras是一个极简和高度模块化的神经网络库，Keras由纯Python编写而成并基于Theano或Tensorflow。Keras 为支持快速实验而生，如果你有如下需求，请选择Keras：

  • 简易和快速的原型设计（keras具有高度模块化，极简，和可扩充特性）
  • 支持CNN和RNN，或二者的结合
  • 支持任意的链接方案（包括多输入和多输出训练）
  • 无缝CPU和GPU切换

Keras适用的Python版本是：Python 2.7-3.5

Keras的设计原则是

  • 模块性：模型可理解为一个独立的序列或图，完全可配置的模块以最少的代价自由组合在一起。具体而言，网络层、损失函数、优化器、初始化策略、激活函数、正则化方法都是独立的模块，你可以使用它们来构建自己的模型。
  • 极简主义：每个模块都应该尽量的简洁。每一段代码都应该在初次阅读时都显得直观易懂。没有黑魔法，因为它将给迭代和创新带来麻烦。
  • 易扩展性：添加新模块超级简单的容易，只需要仿照现有的模块编写新的类或函数即可。创建新模块的便利性使得Keras更适合于先进的研究工作。
  • 与Python协作：Keras没有单独的模型配置文件类型（作为对比，caffe有），模型由python代码描述，使其更紧凑和更易debug，并提供了扩展的便利性。

Keras从2015年3月开始启动，经过一年多的开发，目前Keras进入了1.0的时代。Keras 1.0依然遵循相同的设计原则，但与之前的版本相比有很大的不同。如果你曾经使用过此前的其他版本Keras。你或许会关心1.0的新特性。

  • 泛型模型：简单和强大的新模块，用于支持复杂深度学习模型的搭建。
  • 更优秀的性能：现在，Keras模型的编译时间得到缩短。所有的RNN现在都可以用两种方式实现，以供用户在不同配置任务和配置环境下取得最大性能。现在，基于Theano的RNN也可以被展开，以获得大概25%的加速计算。
  • 测量指标：现在，你可以提供一系列的测量指标来在Keras的任何监测点观察模型性能。
  • 更优的用户体验：我们面向使用者重新编写了代码，使得函数API更简单易记，同时提供更有效的出错信息。
  • 新版本的Keras提供了Lambda层，以实现一些简单的计算任务。
  • ...

如果你已经基于Keras0.3编写了自己的层，那么在升级后，你需要为自己的代码做以下调整，以在Keras1.0上继续运行。请参考编写自己的层

关于Keras-cn

本文档是Keras文档的中文版，包括keras.io的全部内容，以及更多的例子、解释和建议，目前，文档的计划是：

  • 1.x版本：现有keras.io文档的中文翻译，保持与官方文档的同步
  • 2.x版本：完善所有【Tips】模块，澄清深度学习中的相关概念和Keras模块的使用方法
  • 3.x版本：增加Keras相关模块的实现原理和部分细节，帮助用户更准确的把握Keras，并添加更多的示例代码

现在，keras-cn的版本号将简单的跟随最新的keras release版本

...................................

本文档的额外模块还有：

  • 一些基本概念：位于快速开始模块的一些基本概念简单介绍了使用Keras前需要知道的一些小知识，新手在使用前应该先阅读本部分的文档。
  • Keras安装和配置指南，提供了详细的Linux和Windows下Keras的安装和配置步骤。
  • 深度学习与Keras：位于导航栏最下方的该模块翻译了来自Keras作者博客keras.io和其他Keras相关博客的文章，该栏目的文章提供了对深度学习的理解和大量使用Keras的例子，您也可以向这个栏目投稿。 所有的文章均在醒目位置标志标明来源与作者，本文档对该栏目文章的原文不具有任何处置权。如您仍觉不妥，请联系本人（moyan_work@foxmail.com）删除。

快速开始：30s上手Keras

Keras的核心数据结构是“模型”，模型是一种组织网络层的方式。Keras中主要的模型是Sequential模型，Sequential是一系列网络层按顺序构成的栈。你也可以查看泛型模型来学习建立更复杂的模型

Sequential模型如下

代码语言：javascript复制
from keras.models import Sequential

model = Sequential()

将一些网络层通过.add()堆叠起来，就构成了一个模型：

代码语言：javascript复制
from keras.layers import Dense, Activation

model.add(Dense(output_dim=64, input_dim=100))
model.add(Activation("relu"))
model.add(Dense(output_dim=10))
model.add(Activation("softmax"))

完成模型的搭建后，我们需要使用.compile()方法来编译模型：

代码语言：javascript复制
model.compile(loss='categorical_crossentropy', optimizer='sgd', metrics=['accuracy'])

编译模型时必须指明损失函数和优化器，如果你需要的话，也可以自己定制损失函数。Keras的一个核心理念就是简明易用同时，保证用户对Keras的绝对控制力度，用户可以根据自己的需要定制自己的模型、网络层，甚至修改源代码。

代码语言：javascript复制
from keras.optimizers import SGD
model.compile(loss='categorical_crossentropy', optimizer=SGD(lr=0.01, momentum=0.9, nesterov=True))

完成模型编译后，我们在训练数据上按batch进行一定次数的迭代训练，以拟合网络，关于为什么要使用‘batch’，请参考一些基本概念

代码语言：javascript复制
model.fit(X_train, Y_train, nb_epoch=5, batch_size=32)

当然，我们也可以手动将一个个batch的数据送入网络中训练，这时候需要使用：

代码语言：javascript复制
model.train_on_batch(X_batch, Y_batch)

随后，我们可以使用一行代码对我们的模型进行评估，看看模型的指标是否满足我们的要求：

代码语言：javascript复制
loss_and_metrics = model.evaluate(X_test, Y_test, batch_size=32)

或者，我们可以使用我们的模型，对新的数据进行预测：

代码语言：javascript复制
classes = model.predict_classes(X_test, batch_size=32)
proba = model.predict_proba(X_test, batch_size=32)

搭建一个问答系统、图像分类模型，或神经图灵机、word2vec词嵌入器就是这么快。支撑深度学习的基本想法本就是简单的，现在让我们把它的实现也变的简单起来！

为了更深入的了解Keras，我们建议你查看一下下面的两个tutorial

  • 快速开始Sequntial模型
  • 快速开始泛型模型

还有我们对一些概念的解释

  • 一些基本概念

在Keras代码包的examples文件夹里，我们提供了一些更高级的模型：基于记忆网络的问答系统、基于LSTM的文本的文本生成等。

安装

Keras使用了下面的依赖包：

  • numpy，scipy
  • pyyaml
  • HDF5, h5py（可选，仅在模型的save/load函数中使用）

当使用Theano作为后端时：

  • Theano

当使用TensorFlow为后端时：

  • TensorFlow

【Tips】“后端”翻译自backend，指的是Keras依赖于完成底层的张量运算的软件包。【@Bigmoyan】

安装Keras时，请cd到Keras的文件夹中，并运行下面的安装命令：

代码语言：javascript复制
sudo python setup.py install

你也可以使用PyPI来安装Keras

代码语言：javascript复制
sudo pip install keras

对于在Windows上使用Keras的同学，请移步 Keras安装和配置指南

在Theano和TensorFlow间切换

Keras默认使用Theano作为后端来进行张量操作，如需切换到TensorFlow，请查看这里

技术支持

你可以在Keras Google group里提问以获得帮助，如果你生活在中国大陆的话，请自备

你也可以在Github issues里提问。在提问之前请确保你阅读过我们的指导

同时，我们也欢迎同学们加我们的QQ群119427073进行讨论（潜水和灌水会被T，入群说明公司/学校-职位/年级）

小额赞助

如果你觉得本文档对你的研究和使用有所帮助，欢迎扫下面的二维码对作者进行小额赞助，以鼓励作者进一步完善文档内容，提高文档质量。同时，不妨为本文档的github加颗星哦

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一些基本概念

在开始学习Keras之前，我们希望传递一些关于Keras，关于深度学习的基本概念和技术，我们建议新手在使用Keras之前浏览一下本页面提到的内容，这将减少你学习中的困惑

符号计算

Keras的底层库使用Theano或TensorFlow，这两个库也称为Keras的后端。无论是Theano还是TensorFlow，都是一个“符号主义”的库。

因此，这也使得Keras的编程与传统的Python代码有所差别。笼统的说，符号主义的计算首先定义各种变量，然后建立一个“计算图”，计算图规定了各个变量之间的计算关系。建立好的计算图需要编译已确定其内部细节，然而，此时的计算图还是一个“空壳子”，里面没有任何实际的数据，只有当你把需要运算的输入放进去后，才能在整个模型中形成数据流，从而形成输出值。

Keras的模型搭建形式就是这种方法，在你搭建Keras模型完毕后，你的模型就是一个空壳子，只有实际生成可调用的函数后（K.function），输入数据，才会形成真正的数据流。

使用计算图的语言，如Theano，以难以调试而闻名，当Keras的Debug进入Theano这个层次时，往往也令人头痛。没有经验的开发者很难直观的感受到计算图到底在干些什么。尽管很让人头痛，但大多数的深度学习框架使用的都是符号计算这一套方法，因为符号计算能够提供关键的计算优化、自动求导等功能。

我们建议你在使用前稍微了解一下Theano或TensorFlow，Bing/Google一下即可，如果我们要反baidu，那就从拒绝使用baidu开始，光撂嘴炮是没有用的。

张量

张量，或tensor，是本文档会经常出现的一个词汇，在此稍作解释。

使用这个词汇的目的是为了表述统一，张量可以看作是向量、矩阵的自然推广，我们用张量来表示广泛的数据类型。

规模最小的张量是0阶张量，即标量，也就是一个数。

当我们把一些数有序的排列起来，就形成了1阶张量，也就是一个向量

如果我们继续把一组向量有序的排列起来，就形成了2阶张量，也就是一个矩阵

把矩阵摞起来，就是3阶张量，我们可以称为一个立方体，具有3个颜色通道的彩色图片就是一个这样的立方体

把矩阵摞起来，好吧这次我们真的没有给它起别名了，就叫4阶张量了，不要去试图想像4阶张量是什么样子，它就是个数学上的概念。

张量的阶数有时候也称为维度，或者轴，轴这个词翻译自英文axis。譬如一个矩阵[[1,2],[3,4]]，是一个2阶张量，有两个维度或轴，沿着第0个轴（为了与python的计数方式一致，本文档维度和轴从0算起）你看到的是[1,2]，[3,4]两个向量，沿着第1个轴你看到的是[1,3]，[2,4]两个向量。

要理解“沿着某个轴”是什么意思，不妨试着运行一下下面的代码：

代码语言：javascript复制
import numpy as np

a = np.array([[1,2],[3,4]])
sum0 = np.sum(a, axis=0)
sum1 = np.sum(a, axis=1)print sum0print sum1

关于张量，目前知道这么多就足够了。事实上我也就知道这么多

'th'与'tf'

这是一个无可奈何的问题，在如何表示一组彩色图片的问题上，Theano和TensorFlow发生了分歧，'th'模式，也即Theano模式会把100张RGB三通道的16×32（高为16宽为32）彩色图表示为下面这种形式（100,3,16,32），Caffe采取的也是这种方式。第0个维度是样本维，代表样本的数目，第1个维度是通道维，代表颜色通道数。后面两个就是高和宽了。

而TensorFlow，即'tf'模式的表达形式是（100,16,32,3），即把通道维放在了最后。这两个表达方法本质上没有什么区别。

Keras默认的后端是Theano，所以所有层的默认数据组织形式是'th'，你按这个方式组织数据即可。利用Keras自带的数据库模块下载的数据库也长这个样子。但是如果你习惯把通道维放在最后面，记得所有需要的地方标明你的数据形式是'tf'。

唉，真是蛋疼，你们商量好不行吗？

泛型模型

泛型模型算是本文档比较原创的词汇了，所以这里要说一下

在原本的Keras版本中，模型其实有两种，一种叫Sequential，称为序贯模型，也就是单输入单输出，一条路通到底，层与层之间只有相邻关系，跨层连接统统没有。这种模型编译速度快，操作上也比较简单。第二种模型称为Graph，即图模型，这个模型支持多输入多输出，层与层之间想怎么连怎么连，但是编译速度慢。可以看到，Sequential其实是Graph的一个特殊情况。

在现在这版Keras中，图模型被移除，而增加了了“functional model API”，这个东西，更加强调了Sequential是特殊情况这一点。一般的模型就称为Model，然后如果你要用简单的Sequential，OK，那还有一个快捷方式Sequential。

由于functional model API表达的是“一般的模型”这个概念，我们这里将其译为泛型模型，即只要这个东西接收一个或一些张量作为输入，然后输出的也是一个或一些张量，那不管它是什么鬼，统统都称作“模型”。如果你有更贴切的译法，也欢迎联系我修改。

batch

这个概念与Keras无关，老实讲不应该出现在这里的，但是因为它频繁出现，而且不了解这个技术的话看函数说明会很头痛，这里还是简单说一下。

深度学习的优化算法，说白了就是梯度下降。每次的参数更新有两种方式。

第一种，遍历全部数据集算一次损失函数，然后算函数对各个参数的梯度，更新梯度。这种方法每更新一次参数都要把数据集里的所有样本都看一遍，计算量开销大，计算速度慢，不支持在线学习，这称为Batch gradient descent，批梯度下降。

另一种，每看一个数据就算一下损失函数，然后求梯度更新参数，这个称为随机梯度下降，stochastic gradient descent。这个方法速度比较快，但是收敛性能不太好，可能在最优点附近晃来晃去，hit不到最优点。两次参数的更新也有可能互相抵消掉，造成目标函数震荡的比较剧烈。

为了克服两种方法的缺点，现在一般采用的是一种折中手段，mini-batch gradient decent，小批的梯度下降，这种方法把数据分为若干个批，按批来更新参数，这样，一个批中的一组数据共同决定了本次梯度的方向，下降起来就不容易跑偏，减少了随机性。另一方面因为批的样本数与整个数据集相比小了很多，计算量也不是很大。

基本上现在的梯度下降都是基于mini-batch的，所以Keras的模块中经常会出现batch_size，就是指这个。

顺便说一句，Keras中用的优化器SGD是stochastic gradient descent的缩写，但不代表是一个样本就更新一回，还是基于mini-batch的。

对新手友好的小说明

虽然这不是我们应该做的工作，但为了体现本教程对新手的友好，我们在这里简单列一下使用keras需要的先行知识。稍有经验的研究者或开发者请忽略本节，对于新手，我们建议在开始之前，确保你了解下面提到的术语的基本概念。如果你确实对某项内容不了解，请首先查阅相关资料，以免在未来使用中带来困惑。

关于Python

  • 显然你应对Python有一定的熟悉，包括其基本语法，数据类型，语言特点等，如果你还不能使用Python进行程序设计，或不能避免Python中常见的一些小陷阱，或许你应该先去找个教程补充一下。这里推一个快速学习Python的教程廖雪峰的Python教程
  • 你应该有面向对象的概念，知道类、对象、封装、多态、继承、作用域等术语的含义。
  • 你应该对Python的科学计算包和深度学习包有一定了解，这些包包含但不限于numpy, scipy, scikit-learn, pandas...
  • 特别地，你需要了解什么是生成器函数（generator），以及如何编写生成器函数。什么是匿名函数（lambda）

关于深度学习

由于Keras是为深度学习设计的工具，我们这里只列举深度学习中的一些基本概念。请确保你对下面的概念有一定理解。

  • 有监督学习，无监督学习，分类，聚类，回归
  • 神经元模型，多层感知器，BP算法
  • 目标函数（损失函数），激活函数，梯度下降法
  • 全连接网络、卷积神经网络、递归神经网络
  • 训练集，测试集，交叉验证，欠拟合，过拟合
  • 数据规范化
  • 其他我还没想到的东西……想到再补充

其他

其他需要注意的概念，我们将使用[Tips]标注出来，如果该概念反复出现又比较重要，我们会写到这里。就酱，玩的愉快哟。

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